新型防脫出螺釘治療股骨頸骨折的生物力學特性

聶明喜 王建民 孫永健 李保良

股骨頸骨折約占全身骨折的4%[1]，隨著世界人口的老齡化及交通、建筑的迅速發(fā)展,老年及青壯年股骨頸骨折的發(fā)病率均逐漸上升。目前股骨頸骨折的治療，AO空心加壓螺釘治療股骨頸骨折是目前國際上主要提倡的內固定方法[2-3]，但對于骨質疏松癥老年人股骨頸骨折來說，內固定器械對骨的把持力較弱，易造成螺釘的松動退釘、螺釘穿透股骨頭，影響患側關節(jié)功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨頭壞死率[4]，在年輕患者常會出現螺釘的取出困難。為解決這一系列臨床問題，本課題設計出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘，本文旨在測試其生物力學特性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 標本準備 收集南方醫(yī)科大學提供的國人成年福爾馬林浸泡尸體股骨標本48對(96根)，去除股骨頭及股骨頸部所有組織，經X線檢查排除畸形、骨折等病變，在經雙能X線骨密度測定，篩選出密度相近的標本，按實驗要求制成60個標本，把標本放入福爾馬林浸泡。測試前24h取出進行實驗。

1.1.2 螺釘設計 新型防脫出型多六角空心加壓螺釘采用醫(yī)用鈦合金材料；螺釘規(guī)格：螺釘的長度75～110mm，每5mm為一規(guī)格，外徑7.5mm；內徑5.0mm；中央孔徑為2.7mm，近側螺紋長度10mm；近側螺紋螺距1.75mm，遠側螺紋長度18mm，遠側螺紋螺距2.75mm，釘頭內六角對邊徑4.0mm，釘頭外六角對邊徑8.5mm；釘頭寬度5mm；如圖1、圖2。

圖1 新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘設計圖

圖2 新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘實物

1.1.3 實驗儀器 C臂透視機；雙能X線吸收骨密度儀(LunarCorp.Madison,W I,USA),博士Electro Force 3510高精度生物材料實驗系統(tǒng)。

表1 五種力學實驗數據表（±s）

表1 五種力學實驗數據表（±s）

注：新型螺釘組與AO螺釘組相比較，差異具有統(tǒng)計學意義P＜0.05。

A(N) B(N) C(N.m/度) D E上釘(N) 下釘(N) 上釘(N) 下釘(N)新型螺釘 4996.33±424.52 2184.8±145.3 3.32±0.37 1603.83±47.31 1988.50±71.19 13695.50±1428.28 18954.33±1809.38 AO螺釘 4952.17±597.03 2070.50±184.94 3.25±0.28 1215.83±68.78 1639.17±46.44 7581.17±758.74 12581.17±1431.37 t值 0.23 5.26 0.50 12.73 2.19 15.40 11.70 P值 ＞0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＜0.005 ＜0.05 ＜0.005 ＜0.005

1.2 方法 將福爾馬林浸泡人尸體近端股骨成對（30對）標本按左右側各分為一組，即左側標本為一組，右側標本為一組，每組30個標本，兩組標本按成對（30對）隨機分為5個亞組，即A、B、C、D、E；每個亞組12個標本，即6對標本。其中A、B、C亞組以Klenerman法截骨，造成股骨頸骨折模型(Pauwels角=50°)；右側每個標本用2枚新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘固定，左側每個用2枚AO空心加壓螺釘固定（進釘時，在平行導向器及C臂機的輔助下使一枚螺釘通過股骨頸的中下方股骨距，一枚螺釘通過股骨頸的前上方，即骨小梁經過的部位，形成一個“張力帶”，螺釘頭距股骨頭約0.5cm；所有標本內固定經X線證實達到所需預定位置）。在博士Electro Force 3510高精度生物材料實驗系統(tǒng)上將股骨標本固定于特制的夾具上，A組模擬人單足站立下將標本與生物力學試驗機相連，開始以5.0mm/min的加載速度逐漸增加直至內固定失敗并記錄數值(失敗標準：標本出現骨折，股骨頸、股骨頭破裂），記錄最大數值；B組標本兩端固定于特制夾具上，將標本與生物學機相連（使固定螺釘的長軸與試驗機縱軸平行），開始以5.0mm/min的加載速度逐漸進行拔出實驗，出現螺釘被拔出股骨頭為止，記錄拔出最大力；C組標本以2N.m/min的加載速度，以扭矩0～2N.m下標本的旋轉角度值，記錄相應數值；D組標本沿螺釘方向經專用工具固定在實驗機上以5.0mm/min的加載速度拔出螺釘，測量每個標本上下兩釘最大拔出力；E組標本螺釘方向經專用工具與試驗機相連以5.0mm/min加載速度擠壓螺釘，直至螺釘頭穿出股骨頭，測量最大擠壓力。

1.3 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 10.0統(tǒng)計軟件分析，對每組中對應的亞組中的差值的總體進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗，對應差值的總體滿足正態(tài)分布；因此，兩組中對應的A、B、C、D、E亞組數值均采用配對t檢驗。

2 結果

由表1可以看出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘與對照AO空心加壓螺釘固定最大抗壓強度和等量扭矩下的旋轉角度無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘最大抗脫出力、最大軸向拔出力、螺釘進入關節(jié)腔最大擠壓力有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。

3 討論

自從Langenback(1850)首創(chuàng)內固定治療股骨頸骨折以來，至今已有近百種內固定器械相繼應用，歸納起來，大體上分為無螺紋釘和有螺紋釘兩大類，目前股骨頸骨折的治療，AO空心加壓螺釘治療股骨頸骨折是目前國際上主要提倡的內固定方法[2-3]，優(yōu)點：可經皮穿刺、創(chuàng)傷小、操作簡單、對股骨頭血運破壞少，手術時間短，愈合率高，據報道空心螺釘治療股骨頸骨折愈合率達91.4%[5]；2枚螺釘“張力帶”固定具有較強的抗壓強度和抗旋轉能力[6]；骨折端可獲得良好的加壓力，通過應力刺激加速骨折愈合；患者因內固定牢固、疼痛等癥狀迅速緩解，可能很快進行功能鍛煉和部分負重，減少骨折并發(fā)癥發(fā)生,同時2枚螺釘固定法也減少股骨頸骨折內固定后股骨頸短縮幾率[7]。但在臨床應用中發(fā)現對于骨質疏松癥老年人股骨頸骨折來說，內固定器械對骨的把持力較弱,易造成螺釘的松動退釘、螺釘穿透股骨頭,影響患側關節(jié)功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨頭壞死率[4]，在年輕患者常會出現螺釘的取出困難。為解決這一系列臨床問題，本課題設計出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘。

新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘頭部比AO的螺釘稍大，可以有效阻止螺釘進入骨質內，防止螺釘進入關節(jié)內或向對側移動；螺釘近側螺桿部分為皮質骨螺紋，近側部分的螺紋可以有力地的固定在骨質的皮質部分，防止螺釘向外脫出，同時骨折端血液除可沿中央空心部分流出外，也可沿近側皮質骨螺紋滲出到股骨頸以外，既對骨折端起到減壓作用，又可改善股骨頭的靜脈回流[8]；螺釘遠側螺桿部分為松質骨螺紋，直徑和長度比AO螺釘稍長，對老年骨質疏松者，可以增加螺釘的把持力以及對骨折端的擠壓力。螺釘近側螺紋與遠側螺紋之間的部分為光滑的螺桿部分，螺桿兩端的螺紋在螺釘擰入時遠近側螺絲前進的速度不同，遠端松質骨螺紋前進速度較快，從而能在骨折的兩端之間產生軸向擠壓力，可以有效的對抗使骨折面分離的拉力。使骨折端緊密接觸，骨折端剪切力變小，壓應力增加，大大增加內固定的穩(wěn)定性，從而提高骨折的愈合率。

螺釘另外特點在于螺釘頭有兩個內六角組成，由一個外六角，一個內六角，有兩套相配的套筒扳手：即外六角套筒扳手和外六角套筒扳手，在取出螺釘時起雙保險作用，尤其年輕患者，可以防止取釘困難，避免強行取螺釘時大量破壞股骨頸內的骨質和血運，從而減少內固定物取出術后股骨頭壞死的幾率。鈦合金螺釘具有生物相容性好、穩(wěn)定性強、耐磨蝕、抗磁性及更強的抗疲勞，金屬惰性大，不易產生電解反應，很少有排異反應，對患者骨折愈合基本無不良影響，如果沒有特殊癥狀可以不必手術取出，可以避免患者二次手術損傷，從經濟效益上減少支出，也可降低股骨頭壞死幾率；鈦合金螺釘對X線、CT、MRI等成相的干擾性很小，基本不產生偽影，便于辨認早期股骨頭壞死，早期發(fā)現，早期治療。

本實驗證實新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘與AO空心加壓螺釘具有相同的抗壓、抗扭轉，但在抗軸向拔出性、抗脫出、抗螺釘進入關節(jié)腔方面的性能比AO空心加壓螺釘更好。因此對于臨床上出現的骨質疏松病人，新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘以提供堅強的內固定，同時防止退釘，也防止螺釘穿進股骨頭，但必須指出骨質疏松的患者術后需進行骨質疏松的藥物治療[9]，同時對年輕患者也可防止螺釘取出困難。本螺釘的缺陷在于螺釘的遠端部分體積較AO螺釘大，而內固定器械在股骨頭內所占的體積對股骨頭的血運有一定影響[10]，從而增加股骨頭壞死幾率，但臨床上多數患者已從三釘法逐步改用兩釘法固定股骨頸骨折，總體上所有螺釘總體積有所減小，股骨頭壞死幾率有所減少[11]。本實驗的缺陷是股骨頸標本使用的是甲醛固定的防腐標本，標本是用防腐標本，Spring和Blair等[12-13]提出，可以將防腐尸骨所獲得的生物力學數據看作是從骨密度值比防腐尸骨低的新鮮尸骨中獲得，但由于活體股骨頸力學的復雜性，仍需大規(guī)模的臨時實驗驗證新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘實用性。

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